断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25 MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明：（1）侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56o断层,45o断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。（2）声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量（能量、分形维数、频谱幅值）均呈现明显的“突增”特性。（3）声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元...     

基于剪切梁层间失效模型的断层冲击地压分析

将剪切梁层间失效模型用于分析断层冲击地压的发生,在不考虑断层的弹性时对断层冲击地压进行了解析分析,得到了剪切梁的位移和应力分布规律和断层冲击地压发生时撕开裂纹长度和临界载荷。分析了撕开裂纹长度和临界载荷与各种力学参数之间的关系。研究结果表明：当采深越大,剪切梁的剪切弹性模量越小,剪切梁厚度越厚,断层带剪切软化模量越大;断层带厚度、滑动摩擦系数、剪应力峰值强度越小时,断层冲击地压容易发生。采深、剪切梁的剪切弹性模量、断层带剪切软化模量、剪应力峰值强度、断层带厚度这些参数对断层冲击地压的发生影响较大。其结果为预测、防治断层冲击地压提供了理论依据。     

覆岩中断层活化突水的力学分析及其应用

据资料统计,国内煤矿的突水淹井事故80%以上是由断层引起的,大多数是原始地质条件下的非导水断层在采动影响下活化发生突水。出于安全生产和保水采煤的需要,对采场覆岩中断层因工作面的推进而活化突水进行力学分析,研究防止断层活化突水和保水采煤的开采方法。由摩尔-库仑破坏准则得出断层的活化准则,推导出断层活化的临界倾角、断层活化时的临界开采深度和间隔式开采断层活化时工作面临界推进距离。结果表明,断层的破坏形式与断层倾角有很大关系,随着断层倾角的增大,断层的破坏形式依次表现为,随着工作面的推进断层和覆岩一同破坏、剪切破坏和拉破坏。断层倾角越大,越容易活化。以大柳塔煤矿保水采煤为例,应用研究成果计算了间隔式开采工作面的临界推进距离,并且以相似模拟试验验证了计算结果。     

断层端部地应力影响因素数值分析

断层端部是煤与瓦斯突出事故的主要危险地段。利用有限差分数值模拟软件FLAC3D模拟断层端部地应力场分布情况。结果表明:断层倾角、断层性质、断层内摩擦角、煤层弹性模量、煤层泊松比和边界应力比是影响断层端部应力大小的主要因素。其中断层内摩擦角和边界应力比对断层端部应力的影响最为敏感,是断层端部应力集中程度的主控因素;断层倾角对断层端部应力的影响比较大,倾角为45°时断层端部应力最大。利用该软件,在临近断层开采区内对断层端部应力集中程度和应力集中范围的预测,有助于确定断层防水煤柱的留设宽度和预防煤与瓦斯突出事故的发生。      

地震断层的渗透性

剪切带的流体压力因关系着地震断层的滑动强度以及应力释放过程一直备受重视。断层带的渗透率结构对认识断层带内流体活动状况、断层强度、摩擦稳定性以及同震过程等至关重要。文中介绍了断层带渗透率研究的原理、方法,总结了国内外最新的研究成果。脆性域断层的渗透率表现为核部低、两侧高的典型结构,断层泥通常具有最低的渗透率和强各向异性。在地震周期中,断层带的渗透性表现为突然增强-逐渐降低的过程。胶结、水岩反应及溶解-沉淀是间震期断层愈合的主要方式。热压作用是一种有效的断层弱化机制。当断层泥的渗透率小于10-18 m2量级时,地震会伴随强烈的同震热压效应。     

断层冲击地压的影响因素分析

针对断层冲击地压问题,通过建立断层-煤柱变形系统,得到了断层错动型冲击地压的发生条件,并对其主要影响因素进行分析。结果表明:当采空区宽度一定时,载荷随煤层塑性区宽度的变化是先增大再减小,达到临界载荷前,临界断层保护煤柱宽度随载荷增大而增大;当载荷一定时,采空区宽度随煤层塑性区宽度的变化是先增大再减小,达到临界采空区宽度前,断层保护煤柱宽度随采空区宽度的增大而增大,则保证断层保护煤柱宽度大于临界断层保护煤柱宽度,可避免断错型冲击地压的发生;当断层抗剪强度较大时,留设较窄的断层保护煤柱,断层错动型冲击地压也不会发生。根据工作面走向与断层位置的关系,选择合适的方法计算临界断层保护煤柱宽度,可避免断层错动型冲击地压的发生。研究结果为有效防治断层错动型冲击地压提供理论依据。     

不同倾角隐伏断层条件下的底板突水模拟研究

为了揭示不同倾角隐伏断层条件下的底板突水机理,运用剪切破坏理论建立了隐伏断层导水机理的力学模型。根据某实际矿井地质条件构建了倾角分别为15°、30°、45°、60°和落差为3m的隐伏逆断层模型,运用FLAC3D数值模拟方法分析了不同倾角隐伏逆断层在开采条件下的塑性区、垂直应力、孔隙水压力分布情况。结果表明:承压水的理论极限值受工作面埋深、采高、隐伏断层产状及其与底板距离等因素的影响,其中隐伏断层倾角的影响最为显著。当断层倾角较大、且与塑性区相交后断层下盘就会发生大面积破坏,破坏深度可达到23m;当隐伏断层靠近底板破坏区或完全位于采空区下方,隐伏断层末梢垂直应力大幅度降低,且沿断层方向岩层应力也大幅下降;孔隙水压力的压差高度随着隐伏断层倾角的增大而逐渐减小,但底板孔隙水压力的变化趋势则相反,隐伏断层上端末梢的揭露位置越靠近切眼,其孔隙水压力值越大,对开采工作影响越大。     

采动影响下逆断层活化规律的数值模拟

煤矿开采过程中断层活化时有发生,是矿井灾害防治研究的热点问题。为了揭示不同断层倾角条件下煤层开采对断层活化的影响,以淮南新集二矿地质采矿条件为例,采用FLAC3D进行数值模拟,系统研究逆断层下煤层开采过程中断层的动态活化规律,阐明了断层活化位置与工作面推进距离、断层倾角之间的关系。研究表明,断层活化可分为累积期、形成期、破坏期3个发育阶段;当工作面回采至工作面推进距离的一半时,断层开始活化,至开采结束,断层滑移量最大;倾角越小的断层面越早开始活化,倾角越大的断层面滑移量越大。研究成果为断层发育区煤炭资源安全开采提供了理论依据和技术参考。      

断层作用下深部开采诱发冲击地压相似试验研究

以典型断层型冲击地压矿井为例,采用相似材料模拟试验方法,基于覆岩空间结构失稳与断层活化耦合致灾原理,分析了巨型逆冲断层下盘煤层开采采场覆岩运动过程、工作面倾向支承压力及断层面的应力变化规律,研究了巨型逆冲断层影响下巨厚坚硬顶板易冲击煤层冲击地压显现特征。试验结果表明：煤层开采诱发巨型逆冲断层冲击灾变过程分为3阶段：第1阶段,受煤层采动影响,上覆岩层发生空间运动,煤体中形成明显高应力集中区;第2阶段,覆岩多层空间结构演化诱发断层活化,断层活化导致空间结构外部岩体回转,给空间结构施加外部载荷,造成空间结构失稳加剧,煤岩体的应力激增,影响范围扩大;第3阶段,断层滑移释放能量,提供动载荷。根据应力监测数据变化规律,划分了逆冲断层的明显影响区域,研究结果为断层影响下煤层开采的防冲策略与设计提供可靠依据。     

加载速度对断层-围岩系统变形及快速回跳的影响

在平面应变状态下,采用拉格朗日元法模拟了加载速度对断层-围岩系统形成时的应力水平、塑性区尺寸及剪切带图案、系统的最大承载能力以及快速回跳发生时的应力水平的影响。在数值计算中,采用了莫尔-库仑与拉破坏复合的破坏准则。峰后岩石的本构关系为线性应变软化。通常断层带-围岩系统形成之后系统的承载能力达到最大,之后系统的承载能力开始下降处于应变软化状态。当位于试样加载端上的单元的压缩应力-压缩位移曲线的峰后刚度足够大时,系统就会发生弹性回跳现象,即失稳破坏。随着加载速度的增加,断层带-围岩系统形成时的应力水平、断层带-围岩系统的最大承载能力、快速回跳发生时的应力水平及上述三者所对应的加载端部位移都增加,屈服单元数目增多,塑性区域不再保持平直,这都将大大增加系统的变形阻力。当加载速度较大时,较高的剪切应变率集中在断层带位置及断层带之外的弹性体的某些区域都是可能的。     

青海玉树M_S7.1地震发震过程的数值模拟

根据玉树地区的地应力场、速度场和断层展布,对青海玉树2010年4月14日MS7.1级地震发震机理进行了数值模拟。将围岩看成弹性体,断层看成具有应变软化的弹塑性体,断层和围岩组成统一的地质介质系统。在地应力、孔隙压力及边界位移的作用下,应力逐渐积累,当达到断层摩擦破坏强度时,断层产生应变软化,断层突然滑动,能量突然释放,应力突然下降,形成地震。模拟结果表明:玉树7.1级地震是在印度板块向北推挤,青藏高原向东南侧向挤压,在玉树地区形成主压应力为北东80°方向的水平应力场,使甘孜-玉树断裂带产生左旋走滑错动形成的。计算结果给出了应力降、能量释放量、断层走滑错动量、地震复发周期、应力积累速度等重要参数,模拟结果与野外调查资料具有较好的一致性。     

断层之间的相互作用及其地震地质意义

从断层间相互作用产生的同震库仑应力改变入手,提出了断层间相互作用的触震与缓震效应,探讨了断层间的相互作用对断层活动性、断层未来地震潜势及余震活动分布图像的影响.从断层间相互作用的角度分析了大陆强震准周期丛集复发行为的可能的物理机制.认为断层间的相互作用具有重大的地震地质意义,在进行断层活动习性和断层地震危险性定量评价及余震分布图像预测时,应该充分考虑断层间相互作用的影响.     

不同加载速率下岩石变形场演化试验研究

开展不同加载速率条件下岩石变形场演化特征的试验研究,对岩石安全施工及岩石工程灾害预测预警等具有重要意义。通过不同加载速率下红砂岩单轴压缩试验,在以数字散斑相关方法分析试件变形场的基础上,对加载速率与岩石变形局部化演化特征、泊松比变化及能量积累和释放特征的对应关系进行分析。结果表明:随着加载速率的增加,岩石试件的峰值强度及脆性呈增加趋势。加载速率越大岩石试件的变形局部化启动应力越接近强度峰值,且变形局部化启动时对应的应力量值总体上呈增加的趋势。在不同量级加载速率下岩石试件泊松比量值差别明显,总体趋势表现为:在岩石试件变形局部化启动前,随着加载速率增加,岩石试件泊松比减小;在岩石试件变形局部化阶段,随着加载速率增加,岩石试件泊松比增大。在能量积累阶段,岩石试件最大变形能密度随加载速率增加而增大;在能量释放过程中,岩石试件能量释放速率随着加载速率增加而增大。     

高邮凹陷真武断裂带西部低级序断层发育规律预测

在应用蚂蚁追踪技术对真武断裂带西部低级序断层进行解释并根据主要断层走向确定阜宁期构造应力方向的基础上,应用构造应力场数值模拟法模拟阜宁期古构造应力的分布,从应力的角度对低级序断层的平面及剖面发育规律进行预测,最后将预测结果与构造解析结果进行对比。研究结果表明,应用蚂蚁追踪技术对低级序断层进行解释获得的蚂蚁属性体断裂痕迹清晰直观,应用效果要优于相干体技术、方差体技术等其他地震属性技术;真武断裂带西部阜宁期最小主应力方向为NW333°-SE153°;低级序断层的发育主要受阜宁期最小主应力及剪应力控制,最小主应力控制断层的优势发育区,平面剪应力控制断层的平面展布,左旋剪应力区主要发育近东西走向断层,右旋剪应力区主要发育北东走向断层,剖面剪应力控制断层的倾向,左旋剪应力区主要发育北倾、西倾断层,右旋剪应力区主要发育南倾、东倾断层。      

断层参数对承压水体上采煤的影响分析

根据流固耦合理论,采用有限元数值模拟的方法,针对承压水体上采煤过程中断层参数(断距、倾角)对煤层、围岩的应力、变形和水压力变化的影响进行了模拟分析,探讨了存在断层时突水的机理和可能的突水点位置,并定量分析了防水煤柱的预留距离。得出以下结论:(1)当存在正断层时,多发生断层破坏型突水,而底板破坏型突水发生的几率较小;(2)突水性质和突水发生位置受断层断距和倾角的影响不大,煤层和采煤工作面附近的底板围岩都可能成为突水涌出点;(3)随着断层断距和倾角的增加,防水煤柱的合理留设距离应随之增大。以上结果可为实际矿井采煤防突水设计提供参考。 更多还原     

断层附近地应力扰动带宽度及其影响因素

在建立正断层模型的基础上,利用三维有限元数值模拟方法研究了断层附近地层中的地应力变化规律。其结果表明,由于断层活动,在断层附近普遍发育应力扰动带;在应力扰动带范围内,地应力方向和大小发生明显的变化,断层中部附近应力值普遍较低,而断层端部的应力值通常异常增大。应力扰动带的分布范围主要受断层规模的控制,与断裂带的岩石力学性质、断层走向、断层面形态和边界应力条件等因素也密切相关。随断层长度和断距逐步增大,应力扰动带的宽度相应增加。断裂带的岩石越破碎,其岩石弹性模量越低,断层对地应力的影响宽度越大。断层走向与区域最大水平主应力方向越接近垂直、断距与断层长度的比值越大,区域内的差应力越大,则扰动带宽度与断层规模的比值也越大。选择渤海湾盆地BZ-X油田进行验证,在建立油田实际三维地质模型基础上,根据边界应力条件,利用三维有限元方法对沙河街组二段的地应力分布进行了数值模拟计算。根据断层周围的地应力变化,确定了应力扰动带的分布范围,断层附近应力扰动带宽度的分布规律与正断层模型分析结果相一致。      

汶川5.12地震发震机理的数值模拟

将围岩看成弹性体, 断层看成具有应变软化的弹塑性体, 断层和围岩组成统一的地质介质系统。在给定的地应力、孔隙压力及边界位移的作用下, 应力逐渐积累, 当达到断层强度时, 断层进入塑性状态, 应变随之软化, 应力突然下降, 能量突然释放, 形成地震。根据这个原理, 利用有限差分FLAC软件, 对汶川5.12地震的机理进行了模拟。模拟结果证实:汶川5.12地震是在青藏高原侧向挤压, 四川盆地阻挡, 使龙门山断裂带受到缓慢增加的挤压应力场作用下形成的。计算结果给出了应力降、能量释放量、断层错动量、地震同震位移、震前位移、地震复发周期等重要参数, 结果与野外调查及其它资料给出的数据具有较好的一致性。      

逆断层控制构造裂缝发育的力学机制模拟

在探讨逆断层对构造裂缝控制作用的基础上, 应用Comsol有限元软件, 模拟不同水平作用力、不同岩性、不同断层倾角和距断层面远近等因素影响下断层及其周边区域的应力、应变情况, 并分析了不同控制因素下构造裂缝发育的规律。模拟结果表明, 构造裂缝的发育程度随施加的水平应力作用增大而线性增大; 岩石破裂前产生的应变量可用来描述岩石的脆性, 抗压强度对岩石破裂起主导作用, 而岩石的抗剪强度与岩石破裂发育有一定的相关性; 逆断层倾角存在一个临界角度, 使构造裂缝发育最为强烈; 逆断层控制裂缝发育, 距离断裂面越远裂缝发育程度越低, 并存在一个发育程度骤减的范围, 称为"断裂控制带", 该断裂控制带的形成和分布应该与断裂的性质、规模、断距及岩石力学参数等有关。      

细颗粒粘滑运动的能量耗散与释放试验

近年来,利用断层产物以及其中的颗粒来研究断层或地震带的能量耗散与释放,已引起大家的重视.在围压分别为30 kPa、60 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa和600 kPa的条件下,采用直径为0.6~0.8 mm的玻璃珠以0.02 mm/min的轴向应变速率进行干燥、松散细颗粒材料的固结不排水三轴压缩试验.为了减少轴向应变过大时主应力轴旋转产生的误差及其对做功的影响,试验只分析加载后轴向应变为10%时试样变形破坏过程中的能量耗散与能量释放特性.试验结果表明:随着围压的增大,主震频率减小、偏应力降幅增大,但偏应力降幅与最大偏应力的比值逐渐趋于稳定.粘滑运动过程中,在偏应力骤降瞬间,声发射强烈、试样体积收缩,说明能量控制着试样的变形与破坏特征,耗散结构能量越大,系统发生滑动的频率越小.粘滑运动过程可以表示为能量耗散与能量突然释放.最后,从热力学的角度分析滑动过程的3个阶段,得出粘滑运动为不可逆耗散能与可释放应变能共同作用的结果.      

基于声学测试和摄像技术的单裂隙岩石裂纹扩展特征研究

为研究裂隙岩石破坏强度及裂纹扩展特征,采用MTS岩石力学试验机对单裂隙岩石进行单轴压缩试验,同步进行声发射、声波及摄像测试,研究裂隙岩石应力应变行为、声波及声发射特征与裂纹扩展、聚结的变化关系。结果表明,起裂应力、峰值强度及模量随裂隙倾角α变化一致,均先减小后增大,起裂应力和强度受α影响较大;裂纹间断性加速扩展引起的应力转移和释放(应力降),导致裂隙岩石应力-应变曲线呈阶梯状上升;应力降伴随着能量释放、刚度劣化和AE振铃计数的激增,随着α的增大,首次应力降和振铃计数陡增对应的应力逐渐增大,且振铃分布向峰值强度附近集中;裂纹起裂、扩展引起波幅和波速衰减,且波幅下降早于应力降的发生。α=0o岩样峰前波速降高达50%,随α的增大,波速下降点的应力逐渐增大,峰前波速降幅不断减小,α较小时峰前裂纹发育程度高,随着α的增大,峰前裂纹发育程度减弱,裂纹加速扩展、聚合向峰后转移;裂纹长度扩展到临界值时扩展速率会发生快速增大,随着α的增大,裂纹临界长度逐渐降低。